Исследование схем включения транзисторов

Целью работы является практическое ознакомление с простейшими схемами включения транзисторов – схемой с общим эмиттером, схемой с общим коллектором и схемой с общей базой и с двумя другими, относи-тельно более сложными схемами.

Основные положения. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рис. 2.1. Входным электродом является база (точнее, входной сигнал U_вx приложен к переходу эмиттер – база, т. е. U_вx = U_бэ = f_б – f_э, где f_б и f_э – соответственно, потенциалы базы и эмиттера). Рис 2.1.

Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение (U_выx) равно падению напряжения между коллектором и эмиттером (U_кэ):

U_выx = U_кэ = f_к – f_э,

где f_к – потенциал коллектора. Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для U_вx, и для U_выx, чем и объясняется название схемы.

Схема с общим эмиттером усиливает сигнал как по напряжению, так и по току, при этом сигнал приобретает фазовый сдвиг 180º. Более подробно модификации схемы с ОЭ изложены в работах № 3 и 4.

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис. 2.2. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер. Коллектор накоротко соединен с источником питания, f_к = Е = соnst. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Сопротивления R_б1 и R_б2используются в схеме с ОК для подачи на базу постоянного напряжения U_вx = E(R_б2/(R_б1 + R_б2)). Сопротивление R_э обеспечивает получение переменного выходного сигнала. Конденсаторы С_p1 и С_p2 называются разделительными и обеспечивают «развязку» соседних каскадов по постоянному току.

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем f_б = U_бэ + f_э, а выходной сигнал равен f_э = = I_эR_э. Таким образом, U_вx = U_бэ + U_вых. Увеличение U_вx приводит к тому, что p–n-переход эмиттер – база транзистора становится более открытым, I_э растет и увеличивается U_выx = I_эR_э. Вместе с тем, рост I_э вызывает возрастание f_э, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но f_э меняется несколько меньше, чем f_б.

Коэффициент передачи по напряжению К_U у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения ее работы, меньше 1 и равен K_U = U_выx/U_вx = SR_э/(1 + SR_э) < 1, зато коэффициент передачи по току К_I = I_вых/I_вх = I_э/I_б >> 1. Сдвиг фаз в схеме Dj = 0 (так как f_б и f_э меняются синхронно). Поскольку при K_U ≈ 1 Dj = 0 выходной сигнал схемы практически повторяет сигнал на ее входе, то схему с ОК часто называют повторителем, точнее, эмиттерным повторителем (так как выходным электродом является эмиттер).

В электронике широко используется тот факт, что выходное сопротивление схемы с ОК невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (на-пример, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то R_э выбирают из соотношения R_э = R_н (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что R_н может быть малым, выбирают R_э порядка единиц-десятков ом. Рис 2.3

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 2.3. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал U_вx приложен к переходу эмиттер – база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того что база по переменному сигналу заземлена, можно считать, что U_выx = f_к, т. е. U_выx≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Назначение элементов R_б1, R_б2, С_p1, С_p2 и R_к в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительным, в сравнении со схемой с ОЭ, элементом является базовая емкость (C_б), которая обеспечивает заземление базы по переменному сигналу.

Схема работает следующим образом. Когда U_вx≈ имеет положительную полярность, f_Э возрастает, в результате чего U_бэ = f_б – f_э снижается и p–n-переход эмиттер – база частично закрывается. Ток I_э уменьшается, в результате уменьшается и ток I_к ≈ I_э, снижается падение напряжения на сопротивлении R_к, а потенциал коллектора f_к = Е – I_кR_к возрастет. Так как f_к≈ ≈ U_выx≈, то при увеличении мгновенного значения U_вx≈ увеличивается и мгновенное значение U_выx≈. При отрицательной полярности U_вx≈ происходят аналогичные процессы.

Входное сопротивление схемы R_вх = R_э׀׀r_бэ, где r_бэ – эквивалентное сопротивление открытого p–n-перехода эмиттер – база транзистора: оно чрезвычайно мало и обычно не превышает нескольких десятков Ом. Выходное сопротивление R_вых ненагруженной схемы определяется параллельным соединением R_к и эквивалентным сопротивлением r_кэ транзистора, включающим закрытый p–n-перехода коллектор – база, и поэтому велико. Однако если один каскад с общей базой в целях увеличения коэффициента усиления нагрузить на такой же, то выходное сопротивление резко снижается и становится меньшим, чем R_вх. Коэффициент усиления по напряжению

K_U = U_выx≈/U_вx≈ = (I_кR_к)/[I_э(R_э׀׀r_бэ)] ≈ R_к/(R_э׀׀r_бэ) = R_к/R_вх.

При каскадном соединении нескольких схем с ОБ низкоомная нагрузка шунтирует R_к и в формулу для K_U вместо этого сопротивления следует подставить значение выходного сопротивления, которое меньше R_вх: получается, что K_U < 1.

Коэффициент передачи по току К_I = I_вых/I_вх = I_к/I_э ≈ 1. Фазу сигнала схема с общей базой не меняет.

Кроме трех простейших транзисторных схем часто используют две более сложные: схему с общей базой объединяют со схемой с общим эмитте-ром в единый каскад – так называемую «каскодную» схему (рис. 2.4). Входной сигнал в ней поступает на схему с общим эмиттером.

Транзистор схемы с ОБ включен как бы «вместо» коллекторной нагрузки схемы с ОЭ. Схема обладает малой выходной емкостью, поэтому хорошо работает на высоких частотах. Кроме того, при использовании «каскодной» схемы изменения в значении нагрузки практически не влияют на работу основного усилительного транзистора (на котором собрана схема с ОЭ).

Рис. 2.4 Рис. 2.5

Еще в одной схеме (рис. 2.5) за счет особого соединения транзисторов удается получить большой коэффициент усиления по току: коллекторный ток первого транзистора схемы является для второго транзистора базовым. По фамилии разработчика схема, представленная на рис. 2.5, называется схемой Дарлингтона.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Переключатель на лицевой панели макета позволяет поочередно исследовать различные схемы включения транзисторов.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать схему с общим эмиттером:

а) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U_вx от 10 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U_{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) измерить значения фазочастотной характеристики, при этом значение f выбрать примерно соответствующим середине полосы усиления;

г) определить входное сопротивление схемы (значение U_вx выбрать таким, чтобы выходной сигнал не имел нелинейных искажений, а f принять в пределах полосы усиления);

д) определить выходное сопротивление схемы (значения U_вx и f выбрать такие же, как и при выполнении п. 2, г).

3. Исследовать схему с общей базой в соответствии с п. 2.

4. Исследовать схему с в соответствии с п 2 (при измерении амплитудной характеристики значение U_вx не должно превышать 5 В).

5. Исследовать каскодную схему (с общим эмиттером – общей базой) в соответствии с п.2.

6. Исследовать схему Дарлингтона в соответствии с п.2.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях АХ, АЧХ, ФЧХ, значений R_вx и R_выx.

2. Исследованные схемы.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–6 (графики АХ, АЧХ, значения U_{лин max} и f_гр, измеренные значения ФЧХ, R_вx, R_выx ).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 3